CN110247076A - 一种燃料电池冷却流场板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池冷却流场板，所述流场板外壁呈圆形，流场板外壁外周布置有流场板外环，流场板上侧布置有变径入口流道，流场板下侧布置有变径出口流道，变径结构的宽度尺寸大于相应入口或出口流道，冷却流场板内一面布置有圆柱形冷却流道。本发明入口流道和出口流道采用变径结构，可避免冷却液在出口处的回流造成的负压，并且在流道内部设置规则分布的圆柱形冷却流道，能够使冷却液均匀地分布在流道内各个位置，使冷却液与双极板各处的换热更加均匀，流动阻力较低。本发明所提出的燃料电池冷却流道可以提高冷却流场板的冷却效果，有效的提高燃料电池的发电效率及耐久性，使冷却液分布较为均匀，减少局部热点的产生，降低冷却液流动阻力。

Description

一种燃料电池冷却流场板
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域,，具体涉及一种燃料电池冷却流场板。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种低温燃料电池，其工作温度一般在60-85℃，由于其工作温度低、功率密度高、冷启动快、无腐蚀、结构紧凑等优点广泛应用于电动汽车中。均匀的温度分布对质子交换膜燃料电池的工作性能及使用寿命十分重要。在质子交换膜燃料电池中，约有50％的化学能在电化学发电过程中转化为热量，如果不能及时排出，这种反应热会使质子交换膜过热，降低燃料电池工作性能和耐久性。通常，大功率质子交换膜燃料电池采用液态冷却，在电堆中插入冷却板通过循环冷却液来排出电堆中的废热。冷却板的主要作用是使质子交换膜燃料电池保持均匀的温度分布，并降低燃料电池的表面最高温度，减少局部热点的产生，从而提高燃料电池的发电效率及耐久性。增加冷却板中循环冷却液的流速虽然可以使质子交换膜燃料电池实现更均匀的温度分布，但是较高的流速也会增加循环泵的泵送功率，从而降低质子交换膜燃料电池的总效率。冷却流场板的几何形状是提高质子交换膜燃料电池冷却性能的因素之一，如何设计冷却流场板及冷却流道的几何形状,使其冷却效果好且能够降低进出口压差是目前的热点问题之一。现有的冷却流场板大多数为矩形，阻力系数较大，冷却流道大多为直道形流道、蛇形流道或螺旋形流道的冷却结构，冷却效果不理想，冷却液的流动压力损失大，需要较大的泵送功率来实现散热效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃料电池冷却流场板，解决现有技术中冷却流道冷却效果不理想，冷却液的流动压力损失大的问题。
本发明的技术方案为：
一种燃料电池冷却流场板，所述流场板外壁呈圆形，流场板外壁外周布置有流场板外环，流场板上侧布置有变径入口流道，流场板下侧布置有变径出口流道，变径结构的宽度尺寸大于相应入口或出口流道，冷却流场板内一面布置有圆柱形冷却流道。
圆柱形冷却流道交错分布或平行分布于冷却流场板内。
所述变径入口流道与变径出口流道尺寸及数量相同，上下对称分布或不对称分布。
所述变径结构沿冷却液流动方向的截面为圆弧形或梯形等，且两侧对称设置。
流场板一面设置为圆柱形冷却流道，相对面可设置为氢气流道或空气(氧气)流道，也可仅在一面设置冷却流道，相对面不设置流道。
所述冷却流场板厚度为3mm～5mm，圆柱形冷却流道厚度为0.8mm～2mm，流场板外壁半径为25mm～100mm。
所述圆柱形冷却流道可以根据实际情况布置在不同形式的流场板内，流场板外壁形状优选为弧形。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明通过优化冷却流场板及冷却流道，入口流道和出口流道采用变径结构，这样有利于冷却液的流入及流出，同时也可避免冷却液在出口处的回流造成的负压，并且在流道内部设置规则分布的圆柱形冷却流道，能够使冷却液均匀地分布在流道内各个位置，且流速基本相同，进而使冷却液与双极板各处的换热更加均匀，流动阻力较低，只需较低的泵送功率即可实现较好的冷却效果。总而言之，本发明所提出的燃料电池冷却流道可以提高冷却流场板的冷却效果，有效的提高燃料电池的发电效率及耐久性，使冷却液分布较为均匀，减少局部热点的产生，降低冷却液流动阻力。
附图说明
图1-1本发明燃料电池冷却流场板平面结构示意图；图1-2本发明燃料电池冷却流场板立体图；
图2-1圆弧截面变径流道示意图；图2-2梯形截面变径流道示意图；
图3燃料电池多通道蛇形冷却流道示意图；
图4-1圆柱形冷却流道温度分布示意图；图4-2多通道蛇形冷却流道温度分布示意图；
图5-1圆柱形冷却流道压力分布示意图；图5-2多通道蛇形冷却流道压力分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
如图1-1所示，本发明的燃料电池冷却流场板，包括变径入口流道1、圆柱形冷却流道2、圆形流场板外壁3、变径出口流道4及流场板外环5，其中变径入口流道1的数量与变径出口流道4的数量相同，变径入口流道1布置在流场板上侧，变径出口流道4布置在流场板下侧，变径入口流道1与变径出口流道4可上下对称分布，也可不对称分布，可根据冷却液入口流速进行适当的调整，变径结构的宽度尺寸大于相应入口(出口)流道，变径结构沿冷却液流动方向的截面为圆弧形、梯形等，且两侧对称设置，有利于冷却液的流入及流出，同时也可避免冷却液在出口处的回流造成的负压。圆柱形冷却流道2交错分布或平行分布于冷却流场板内，使冷却液较均匀的分布在冷却流场板中，且使冷却液流速基本相同，可以根据实际情况选择圆柱形流道的大小和布置规则，圆柱形冷却流道2可以根据实际情况布置在不同形式的流场板内，流场板外壁形状优选为弧形。
如图1-2所示，流场板外壁3呈圆形，半径为25mm～100mm,流场板一面设置为冷却流道，相对面可设置为氢气流道或空气(氧气)流道，也可仅在一面设置冷却流道，相对面不设置流道。该冷却流场板可采用不同的材质生产制作，板厚度h1为3mm～5mm，由圆柱形冷却流道2形成的冷却流道6厚度h2为0.8mm～2mm。
冷却液通过变径入口流道1进入，通过圆柱形冷却流道2，弧线的摩擦阻力小，有利于流体的流动，冷却液通过圆柱形冷却流道2使整个流场板内都能有冷却液流过，冷却液在流道中不断流动，带走燃料电池电堆中的废热，增强了冷却流道的冷却性能，并减小了流动阻力，冷却液最终汇集到变径出口流道4中流出。
根据本发明的一种实施方式，可以根据燃料电池电堆的输出功率以及电堆中热源的分布情况，调整所述圆柱形流道的大小和间隔距离，例如，在温度较高的热点区域，可以设置较小的半径及较近的间隔距离，在温度较低的区域可以设置较小的半径和较远的间隔距离，所述圆柱形冷却流道2的大小和间隔距离可以根据实际情况进行设置，本发明不对其进行限定。
本实施例中，如图1所示，在圆形燃料电池冷却流场板上，所述圆形流场板外壁的半径为48mm；如图2-1所示，所述入口流道1和出口流道4的宽度为2mm,变径结构为弧形，半径为1.5mm；所述圆柱形冷却流道2半径为1mm,高度为1mm,间隔为2mm,圆形冷却流道2交错分布。
传统的多通道蛇形冷却流道形式如图3所示，冷却流道活性区域面积与本发明实施例中图1冷却流道的冷却流道面积近似相同。
在本发明实施例提供冷却流道和传统的多蛇形蛇形流道上下表面上分别加载5000W/m2热流密度，冷却液使用去离子水，冷却液入口温度为40℃，冷却液入口速度为0.5m/s，冷却液出口的参考压力为大气压。
得到的结果如下：本发明实施例提供的圆柱形冷却流道的表面最高温度为319.5℃，整个结构最低温度位置和最高温度位置的温差为6.5℃，冷却液进出口压差为614Pa；传统的多通道蛇形冷却流道的表面最高温度为317.4℃，整个结构最低温度位置和最高温度位置的温差为4.4℃,冷却液进出口压差为10733Pa。
本发明实施例提供的圆柱形冷却流道比传统的蛇形冷却流道的最高温度相差仅为2.1℃，本发明实施例提供的圆柱形冷却流道温度场分布更为均匀；压降降低了近17倍，泵送功率更小，能够十分有效的提高燃料电池的总效率。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池冷却流场板，其特征在于，所述流场板外壁呈圆形，流场板外壁外周布置有流场板外环，流场板上侧布置有变径入口流道，流场板下侧布置有变径出口流道，变径结构的宽度尺寸大于相应入口或出口流道，冷却流场板内一侧布置有圆柱形冷却流道。
2.根据权利要求1所述燃料电池冷却流场板，其特征在于，燃料电池冷却流场板，其特征在于，圆柱形冷却流道交错分布或平行分布于冷却流场板内。
3.根据权利要求1所述燃料电池冷却流场板，其特征在于，燃料电池冷却流场板，其特征在于，所述变径入口流道与变径出口流道尺寸及数量相同，上下对称分布或不对称分布。
4.根据权利要求1所述燃料电池冷却流场板，其特征在于，燃料电池冷却流场板，其特征在于，所述变径结构沿冷却液流动方向的截面为圆弧形或梯形，且两侧对称设置。
5.根据权利要求1所述燃料电池冷却流场板，其特征在于，燃料电池冷却流场板，其特征在于，冷却流场板内一面设置为圆柱形冷却流道，相对面设置为氢气流道或空气流道，或者仅在一面设置冷却流道，相对面不设置流道。
6.根据权利要求1所述燃料电池冷却流场板，其特征在于，燃料电池冷却流场板，其特征在于，所述冷却流场板厚度为3mm～5mm，圆柱形冷却流道厚度为0.8mm～2mm，流场板外壁半径为25mm～100mm。
7.根据权利要求1所述燃料电池冷却流场板，其特征在于，所述圆柱形冷却流道可以根据实际情况布置在不同形式的流场板内，流场板外壁形状优选为弧形。
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